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標(biāo)題: 單片機(jī)中PWM的原理與控制程序 [打印本頁(yè)]
作者: wang1231    時(shí)間: 2018-7-9 21:05
標(biāo)題: 單片機(jī)中PWM的原理與控制程序
PWM 在單片機(jī)中的應(yīng)用是非常廣泛的，它的基本原理很簡(jiǎn)單，但往往應(yīng)用于不同場(chǎng)合上意義也不完全一樣，這里我先把基本概念和基本原理給大家介紹一下，后邊遇到用的時(shí)候起碼知道是個(gè)什么東西。

PWM 是 Pulse Width Modulation 的縮寫，它的中文名字是脈沖寬度調(diào)制，一種說法是它利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，其實(shí)就是使用數(shù)字信號(hào)達(dá)到一個(gè)模擬信號(hào)的效果。這是個(gè)什么概念呢？我們一步步來介紹。

首先從它的名字來看，脈沖寬度調(diào)制，就是改變脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)不同的效果。我們先來看三組不同的脈沖信號(hào)，如圖 所示。


這是一個(gè)周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個(gè)周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同，這就是 PWM 的本質(zhì)。在這里大家要記住一個(gè)概念，叫做“占空比”。占空比是指高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的比例。比如第一部分波形的占空比是 40%，第二部分波形占空比是 60%，第三部分波形占空比是 80%，這就是 PWM 的解釋。



那為何它能對(duì)模擬電路進(jìn)行控制呢？大家想一想，我們數(shù)字電路里，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)，比如我們第 2 章學(xué)會(huì)的點(diǎn)亮 LED 小燈那個(gè)程序，當(dāng)我們寫一個(gè) LED = 0;小燈就會(huì)長(zhǎng)亮，當(dāng)我們寫一個(gè) LED = 1;小燈就會(huì)滅掉。當(dāng)我們讓小燈亮和滅間隔運(yùn)行的時(shí)候，小燈是閃爍。



如果我們把這個(gè)間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100Hz 以上的頻率，這個(gè)時(shí)候小燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有 LED = 0;時(shí)的亮度高。那我們不斷改變時(shí)間參數(shù)，讓 LED = 0;的時(shí)間大于或者小于 LED = 1;的時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺了，不再是純粹的 0 和 1，還有亮度不斷變化。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果我們用 100Hz 的信號(hào)，如圖 10-1 所示，假如高電平熄滅小燈，低電平點(diǎn)亮小燈的話，第一部分波形熄滅 4ms，點(diǎn)亮 6ms，亮度最高，第二部分熄滅 6ms，點(diǎn)亮 4ms，亮度次之，第三部分熄滅 8ms，點(diǎn)亮 2ms，亮度最低。那么用程序驗(yàn)證一下我們的理論，我們用定時(shí)器T0 定時(shí)改變 P0.0 的輸出來實(shí)現(xiàn) PWM，與純定時(shí)不同的是，這里我們每周期內(nèi)都要重載兩次定時(shí)器初值，即用兩個(gè)不同的初值來控制高低電平的不同持續(xù)時(shí)間。為了使亮度的變化更加明顯，程序中使用的占空比差距更大。

以下代碼出自金沙灘宋老 師:
  1. #include <reg52.h>
  2. sbit PWMOUT = P0^0;
  3. sbit ADDR0 = P1^0;
  4. sbit ADDR1 = P1^1;
  5. sbit ADDR2 = P1^2;
  6. sbit ADDR3 = P1^3;
  7. sbit ENLED = P1^4;

  9. unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
  10. unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
  11. unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
  12. unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)

  14. void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);
  15. void ClosePWM();

  17. void main(){
  18. unsigned int i;
  19. EA = 1; //開總中斷
  20. ENLED = 0; //使能獨(dú)立 LED
  21. ADDR3 = 1;
  22. ADDR2 = 1;
  23. ADDR1 = 1;
  24. ADDR0 = 0;

  26. while (1){
  27. ConfigPWM(100, 10); //頻率 100Hz，占空比 10%
  28. for (i=0; i<40000; i++);
  29. ClosePWM();
  30. ConfigPWM(100, 40); //頻率 100Hz，占空比 40%
  31. for (i=0; i<40000; i++);
  32. ClosePWM();
  33. ConfigPWM(100, 90); //頻率 100Hz，占空比 90%
  34. for (i=0; i<40000; i++);
  35. ClosePWM(); //關(guān)閉 PWM，相當(dāng)于占空比 100%
  36. for (i=0; i<40000; i++);
  37. }
  38. }
  39. /* 配置并啟動(dòng) PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
  40. void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
  41. unsigned int high, low;
  42. unsigned long tmp;

  44. tmp = (11059200/12) / fr; //計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
  45. high = (tmp*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
  46. low = tmp - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
  47. high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
  48. low = 65536 - low + 12;//計(jì)算低電平的重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)

  50. HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
  51. HighRL = (unsigned char)high;
  52. LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
  53. LowRL = (unsigned char)low;

  55. TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
  56. TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1
  57. TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
  58. TL0 = HighRL;
  59. ET0 = 1; //使能 T0 中斷
  60. TR0 = 1; //啟動(dòng) T0
  61. PWMOUT = 1; //輸出高電平
  62. }
  63. /* 關(guān)閉 PWM */
  64. void ClosePWM(){
  65. TR0 = 0; //停止定時(shí)器
  66. ET0 = 0; //禁止中斷
  67. PWMOUT = 1; //輸出高電平
  68. }
  69. /* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
  70. void InterruptTimer0() interrupt 1{
  71. if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時(shí)，裝載低電平值并輸出低電平
  72. TH0 = LowRH;
  73. TL0 = LowRL;
  74. PWMOUT = 0;
  75. }else{ //當(dāng)前輸出為低電平時(shí)，裝載高電平值并輸出高電平
  76. TH0 = HighRH;
  77. TL0 = HighRL;
  78. PWMOUT = 1;
  79. }
  80. }
復(fù)制代碼



需要提醒大家的是，由于標(biāo)準(zhǔn) 51 單片機(jī)中沒有專門的 PWM 模塊，所以我們用定時(shí)器加中斷的方式來產(chǎn)生 PWM，而現(xiàn)在有很多的單片機(jī)都會(huì)集成硬件的 PWM 模塊，這種情況下需要我們做的就僅僅是計(jì)算一下周期計(jì)數(shù)值和占空比計(jì)數(shù)值然后配置到相關(guān)的 SFR 中即可，既使程序得到了簡(jiǎn)化又確保了 PWM 的輸出品質(zhì)（因?yàn)橄酥袛嘌訒r(shí)的影響）。



大家編譯下載程序后，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈從最亮到滅一共 4 個(gè)亮度等級(jí)。如果我們讓亮度等級(jí)更多，并且讓亮度等級(jí)連續(xù)起來，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小燈漸變的效果，與呼吸有點(diǎn)類似，所以我們習(xí)慣上稱之為呼吸燈，程序代碼如下，這個(gè)程序用了 2 個(gè)定時(shí)器 2 個(gè)中斷，這是我們第一次這樣用，大家可以學(xué)習(xí)一下。我們來試試這個(gè)程序，試完了大家一定要能自己把程序?qū)懗鰜恚杏洝?br />
  1. #include <reg52.h>
  2. sbit PWMOUT = P0^0;
  3. sbit ADDR0 = P1^0;
  4. sbit ADDR1 = P1^1;
  5. sbit ADDR2 = P1^2;
  6. sbit ADDR3 = P1^3;
  7. sbit ENLED = P1^4;

  9. unsigned long PeriodCnt = 0; //PWM 周期計(jì)數(shù)值
  10. unsigned char HighRH = 0; //高電平重載值的高字節(jié)
  11. unsigned char HighRL = 0; //高電平重載值的低字節(jié)
  12. unsigned char LowRH = 0; //低電平重載值的高字節(jié)
  13. unsigned char LowRL = 0; //低電平重載值的低字節(jié)
  14. unsigned char T1RH = 0; //T1 重載值的高字節(jié)
  15. unsigned char T1RL = 0; //T1 重載值的低字節(jié)

  17. void ConfigTimer1(unsigned int ms);
  18. void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc);

  20. void main(){
  21. EA = 1; //開總中斷
  22. ENLED = 0; //使能獨(dú)立 LED
  23. ADDR3 = 1;
  24. ADDR2 = 1;
  25. ADDR1 = 1;
  26. ADDR0 = 0;

  28. ConfigPWM(100, 10); //配置并啟動(dòng) PWM
  29. ConfigTimer1(50); //用 T1 定時(shí)調(diào)整占空比
  30. while (1);
  31. }
  32. /* 配置并啟動(dòng) T1，ms-定時(shí)時(shí)間 */
  33. void ConfigTimer1(unsigned int ms){
  34. unsigned long tmp; //臨時(shí)變量
  35. tmp = 11059200 / 12; //定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率
  36. tmp = (tmp * ms) / 1000; //計(jì)算所需的計(jì)數(shù)值
  37. tmp = 65536 - tmp; //計(jì)算定時(shí)器重載值
  38. tmp = tmp + 12; //補(bǔ)償中斷響應(yīng)延時(shí)造成的誤差
  39. T1RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時(shí)器重載值拆分為高低字節(jié)
  40. T1RL = (unsigned char)tmp;
  41. TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
  42. TMOD |= 0x10; //配置 T1 為模式 1
  43. TH1 = T1RH; //加載 T1 重載值
  44. TL1 = T1RL;
  45. ET1 = 1; //使能 T1 中斷
  46. TR1 = 1; //啟動(dòng) T1
  47. }
  48. /* 配置并啟動(dòng) PWM，fr-頻率，dc-占空比 */
  49. void ConfigPWM(unsigned int fr, unsigned char dc){
  50. unsigned int high, low;
  51. PeriodCnt = (11059200/12) / fr; //計(jì)算一個(gè)周期所需的計(jì)數(shù)值
  52. high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
  53. low = PeriodCnt - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
  54. high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
  55. low = 65536 - low + 12; //計(jì)算低電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
  56. HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
  57. HighRL = (unsigned char)high;
  58. LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
  59. LowRL = (unsigned char)low;

  61. TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
  62. TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1
  63. TH0 = HighRH; //加載 T0 重載值
  64. TL0 = HighRL;
  65. ET0 = 1; //使能 T0 中斷
  66. TR0 = 1; //啟動(dòng) T0
  67. PWMOUT = 1; //輸出高電平
  68. }
  69. /* 占空比調(diào)整函數(shù)，頻率不變只調(diào)整占空比 */
  70. void AdjustDutyCycle(unsigned char dc){
  71. unsigned int high, low;
  72. high = (PeriodCnt*dc) / 100; //計(jì)算高電平所需的計(jì)數(shù)值
  73. low = PeriodCnt - high; //計(jì)算低電平所需的計(jì)數(shù)值
  74. high = 65536 - high + 12; //計(jì)算高電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)
  75. low = 65536 - low + 12; //計(jì)算低電平的定時(shí)器重載值并補(bǔ)償中斷延時(shí)

  77. HighRH = (unsigned char)(high>>8); //高電平重載值拆分為高低字節(jié)
  78. HighRL = (unsigned char)high;
  79. LowRH = (unsigned char)(low>>8); //低電平重載值拆分為高低字節(jié)
  80. LowRL = (unsigned char)low;
  81. }
  82. /* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，產(chǎn)生 PWM 輸出 */
  83. void InterruptTimer0() interrupt 1{
  84. if (PWMOUT == 1){ //當(dāng)前輸出為高電平時(shí)，裝載低電平值并輸出低電平
  85. TH0 = LowRH;
  86. TL0 = LowRL;
  87. PWMOUT = 0;
  88. }else{ //當(dāng)前輸出為低電平時(shí)，裝載高電平值并輸出高電平
  89. TH0 = HighRH;
  90. TL0 = HighRL;
  91. PWMOUT = 1;
  92. }
  93. }
  94. /* T1 中斷服務(wù)函數(shù)，定時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比 */
  95. void InterruptTimer1() interrupt 3{
  96. static bit dir = 0;
  97. static unsigned char index = 0;
  98. unsigned char code table[13] = { //占空比調(diào)整表
  99. 5, 18, 30, 41, 51, 60, 68, 75, 81, 86, 90, 93, 95
  100. };

  102. TH1 = T1RH; //重新加載 T1 重載值
  103. TL1 = T1RL;
  104. AdjustDutyCycle(table[index]); //調(diào)整 PWM 的占空比
  105. if (dir == 0){ //逐步增大占空比
  106. index++;
  107. if (index >= 12){
  108. dir = 1;
  109. }
  110. }else{ //逐步減小占空比
  111. index--;
  112. if (index == 0){
  113. dir = 0;
  114. }
  115. }
  116. }
復(fù)制代碼


呼吸燈效果做出來后，利用這個(gè)基本原理，其它各種效果的燈光閃爍都應(yīng)該可以做出來，大家看到的 KTV 里邊那絢麗的燈光閃爍，其實(shí)就是采用的 PWM 技術(shù)控制的。

作者: 紫色的云    時(shí)間: 2018-12-29 09:01
樓主講解很詳細(xì)，能不能講解一下PWM進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的原理
作者: 沙灘51hei    時(shí)間: 2019-1-5 21:09
轉(zhuǎn)載應(yīng)該注明出處吧。另外就是，不結(jié)合具體的原理圖，哪來的位地址定義？
作者: kissme    時(shí)間: 2019-1-5 22:46
重載值咋拆分滴。。沒看明白。(unsignedchar)
作者: kissme    時(shí)間: 2019-1-12 17:32
復(fù)制了這個(gè)程序。。編譯通過，但是燈沒有漸變
作者: 亢亢    時(shí)間: 2019-6-10 01:58
紫色的云 發(fā)表于 2018-12-29 09:01
樓主講解很詳細(xì)，能不能講解一下PWM進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的原理

PWM調(diào)速的根本就是改變了電壓的有效值。一個(gè)周期內(nèi)改變高電平的時(shí)間，可以用高中的物理知識(shí)算一下一個(gè)周期內(nèi)的電壓有效值就改變了
作者: aking991    時(shí)間: 2019-6-10 08:49
說得很好，也很實(shí)用，不過現(xiàn)在51的單片機(jī)STC類都已帶PWM功能了，程序就會(huì)方便很多了，也不用太占用定時(shí)器資源了
作者: optiplex    時(shí)間: 2019-6-20 22:58
第一段的程序你把《手把手教你學(xué)單片機(jī)》里的代碼 copy過來，一字不改，至少注明出處
作者: 鵬博士PBs    時(shí)間: 2019-6-20 23:05
PWM調(diào)速主要是看高電平對(duì)應(yīng)的占空比，從而進(jìn)行調(diào)速。
作者: myfff    時(shí)間: 2019-6-25 14:47
老哥，如果不用延時(shí)怎么寫呀！



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